Передача потока и тепла при производстве легких автомобильных конструкций

Производственный императив для легкого веса

Регулирующие цели, такие как стандарты CAFE в США и ограничения выбросов CO‍‍ в Европе, непосредственно давят на автопроизводителей, чтобы уменьшить массу транспортного средства. Для электромобилей с аккумуляторами (BEV), снижение массы кузова и шасси компенсирует значительную массу аккумуляторной батареи, улучшая дальность и эффективность без ущерба для полезной нагрузки. Это ускорило принятие материалов, таких как алюминиевые сплавы, передовые высокопрочные стали (AHSS), магниевые сплавы и полимеры с углеродным волокном (CFRP). Однако эти материалы не являются заменой мягкой стали. Каждый из них обладает уникальными тепловыми и расходными свойствами, которые требуют точного контроля во время формирования и соединения. Неспособность управлять этими параметрами приводит к неприемлемым дефектам, от деформации и остаточного напряжения до неполного связывания и преждевременного отказа в обслуживании.

Основные терможидкие принципы в производстве

Процессы изготовления легких конструкций работают в строгом тепловом и жидкостном режимах. Понимание основной физики не подлежит обсуждению для инженеров-технологов.

Динамика жидкости в плесени и умираниях

Поведение расплавленного металла или полимерных материалов редко ньютоновское. Полимеры проявляют сильное утончение сдвига поведение, при котором вязкость снижается при высоких скоростях сдвига, испытываемых при впрыске. Расплавленный алюминий, в то время как более ньютоновский, склонен к окислению и турбулентному потоку, который может захватывать газы. Переход от ламинарного к турбулентному потоку, характеризующийся числом РейнольдсаRe, диктует стабильность заполнения. Турбулентный поток может вызывать струйное и плескательное образование в процессах литья, в то время как ламинарный поток часто желателен при литье под давлением для обеспечения стабильного фронта расплава и предотвращения дефектов, таких как захват газа. Геометрия канала потока (конструкция шлюза, расположение бегуна, профиль гибки) спроектирована для манипулирования этими режим

Тепловые режимы передачи

Контроль тепловой истории компонента является основным средством установления его конечных свойств. Три основных механизма активно управляются в каждой производственной ячейке:

• Проводимость: Управляется тепловыми градиентами внутри материала и между материалом и оснасткой. Закон Фурье регулирует скорость теплоотдачи. Инструментальные стали с высокой теплопроводностью или стратегически расположенные медные вставки используются для ускорения охлаждения, в то время как низкопроводящие покрытия могут изолировать области для задержки затвердевания.
• Конвекция: Доминирует поток охлаждающих жидкостей (вода, масло, воздух) по каналам внутри кристалла или формы и движение самого технологического материала. Коэффициент теплопередачи на интерфейсе материал-инструмент является критической переменной, на которую сильно влияют контактное давление и состояние поверхности.
• Излучение: Становится доминирующим фактором в высокотемпературных процессах, таких как горячая штамповка (нагрев печи) и сварка (дуга или лазер). Закон Стефана-Больцмана определяет радиационный обмен, требуя экранирования и тщательного контроля излучательной способности для предсказуемого управления вводом тепла и скоростью охлаждения.

Материально-специфические проблемы обработки

Каждое семейство легких материалов представляет собой отдельный набор термофизических задач, которые должны решаться с помощью проектирования процесса.

Алюминиевые сплавы

Высокая теплопроводность алюминия (~ 200 Вт/мк) быстро извлекает тепло из расплавленного состояния. В Высокопрессорное литье под давлением (HPDC) , это требует чрезвычайно быстрых скоростей впрыска (30-60 м/с) для заполнения полости до затвердевания металла. Это быстрое охлаждение может привести к пайке кристаллов (где алюминиевые связи со стальной кристаллической кристаллизацией) и холодным затворам (неполное слияние фронтов потока). Для управления фронтом затвердевания требуется точный тепловой баланс поверхности кристалла.

Сплавы магния

Как самый легкий структурный металл, магний обладает высокой удельной прочностью. Однако его низкая объемная теплоемкость представляет собой производственный парадокс. Он быстро замерзает в форме, требуя высокоскоростного заполнения, но его низкое содержание тепла делает его склонным к сжиганию в присутствии кислорода. Процессы литья должны использовать защитные газовые атмосферы (SO & Zwj; & Zwj; или SF & Zwj; & Zwj; смеси) и управлять интенсивными тепловыми градиентами, чтобы избежать горячего разрыва во время сокращения затвердевания.

Продвинутые высокопрочные стали (AHSS)

Такие марки, как Gen‍‍ и PHS (Press Hardened Steel) получают свою прочность из сложных фазовых преобразований. Окончательная микроструктура полностью зависит от пути охлаждения. В горячем штамповании , заготовка из борной стали аустенитируется в печи (930°C), затем формируется и закаляется одновременно в кристаллах с водяным охлаждением. Скорость охлаждения, превышающая 27°C/s, обязательна для преобразования аустенита в мартенсит. Неоднородное охлаждение вызывает «мягкие пятна» (байнит или феррит), которые компрометируют аварийную производительность, делая конструкцию канала охлаждения в кристалле критически важной для безопасности деятельностью.

Углеродные волокна, армированные полимерами (CFRP)

Производство CFRP, в частности, с использованием процессов, таких как формование смолы и автоклавное отверждение, представляет собой уникальные тепловые проблемы. Экзотермическая реакция термореактивных смол должна быть тщательно управляемой. Если тепло, генерируемое во время отверждения, не удаляется должным образом, часть может обжигать, образовывать пустоты или подвергаться тепловому бегству. Кроме того, анизотропная теплопроводность углеродных волокон создает сложные пути теплового потока через ламинат. Управление коэффициентом теплового расширения (CTE) несоответствие между углеродными волокнами и стальной или инварной оснасткой имеет решающее значение для достижения размерной толерантности в конечной части.

Процессная инженерия: управление терможидкой динамикой

Перевод свойств материала на готовые детали зависит от точной оркестровки потока и тепла в конкретных производственных процессах.

Инъекционное формование легких полимеров

Инъекционное формование - рабочая лошадка для производства легких пластиковых и композитных компонентов. Цикл - это последовательность тепловых и жидкостных событий.

Во время фазы заполнения , впрыск винта должен обеспечивать сбалансированный фронт потока через несколько полостей или сложную геометрию. Температура расплава, температура пресс-формы и скорость впрыска настроены для предотвращения преждевременного замерзания на затворе или струйной. фаза упаковки применяется давление удержания для придания силы дополнительному материалу в полость для компенсации объемной усадки. Эффективность фазы упаковки определяется вязкостью расплава (которая зависит от температуры) и передачей давления через затвор. Наконец, фаза охлаждения диктует время цикла. Неоднородное охлаждение, часто вызванное плохой компоновкой канала охлаждающей жидкости, создает дифференциальную усадку, которая приводит к деформации. Конформные каналы охлаждения, производимые с помощью аддитивного производства, позволяют разработчикам пресс-форм размещать линии охлаждения, которые следуют точному контуру детали, обеспечивая равномерное выделение тепла и сокращение времени цикла до 30%.